一种3D NAND存储器件的金属栅极及其制备方法

摘要

本申请实施例提供了一种3D NAND存储器件的金属栅极制备方法，其包括：提供衬底，所述衬底上形成有氧化硅/氮化硅层交替层叠结构以及贯穿所述层叠结构的栅线缝隙；采用第一刻蚀溶液刻蚀层叠结构中的部分氮化硅以及与所述部分氮化硅直接相邻的部分氧化硅，直至刻蚀到预设位置；所述预设位置为层叠结构中氮化硅层两端面之间的位置；采用第二刻蚀溶液刻蚀层叠结构中剩余的氮化硅；向刻蚀后的层叠结构的镂空区域填充金属介质，形成金属栅极。该制备方法能够减少金属栅极内部的空隙，有利于提高器件性能。此外，本申请实施例还提供了一种3D NAND存储器件的金属栅极。

权利要求

1.一种3D NAND存储器件的金属栅极制备方法，其特征在于，包括：提供衬底，所述衬底上形成有氧化硅/氮化硅层交替层叠结构以及贯穿所述层叠结构的栅线缝隙；

采用第一刻蚀溶液通过所述栅线缝隙刻蚀层叠结构中每层氮化硅层的部分氮化硅以及与所述部分氮化硅直接相邻的部分氧化硅，直至刻蚀到预设位置；所述预设位置为层叠结构中氮化硅层内与所述栅线缝隙的侧壁具有预设距离的位置；

采用第二刻蚀溶液刻蚀层叠结构中每层氮化硅层剩余的氮化硅；

向刻蚀后的层叠结构的镂空区域填充金属介质，形成金属栅极。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一刻蚀溶液为第一磷酸溶液，所述第二刻蚀溶液为第二磷酸溶液，所述第一磷酸溶液的氮化硅对氧化硅的选择比小于所述第二磷酸溶液的氮化硅对氧化硅的选择比。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述第一磷酸溶液的氮化硅对氧化硅的选择比为10：1至100:1之间的比例，所述第二磷酸溶液的氮化硅对氧化硅的选择比大于

300。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述采用第二刻蚀溶液刻蚀层叠结构中每层氮化硅层剩余的氮化硅之后，所述向刻蚀后的层叠结构的镂空区域填充金属介质，形成金属栅极之前，还包括：去除氮化硅层刻蚀过程中产生的副产物二氧化硅。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述去除氮化硅层刻蚀过程中产生的副产物二氧化硅，具体包括：采用湿法刻蚀工艺去除氮化硅层刻蚀过程中产生的副产物二氧化硅。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述湿法刻蚀工艺采用的刻蚀溶液为氢氟酸溶液。

7.根据权利要求1-6任一项所述的制备方法，其特征在于，所述向刻蚀后的层叠结构的镂空区域填充金属介质，形成金属栅极，具体包括：通过原子层沉积的方式向刻蚀后的层叠结构的镂空区域填充金属介质，形成金属栅极。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述金属介质为金属钨。

说明书

一种3D NAND存储器件的金属栅极及其制备方法

技术领域

[0001] 本申请涉及半导体加工技术领域，尤其涉及一种3D NAND存储器件的金属栅极及其制备方法。

背景技术

[0002] 现有的3D NAND存储器件的垂直存储结构由多层介质薄膜堆叠形成，其制备过程中，需要将氧化硅/氮化硅交替层叠结构中的氮化硅去除，从中填充金属介质，从而形成金属栅极。

[0003] 目前去除氧化硅/氮化硅交替层叠结构中的氮化硅一般通过湿法刻蚀工艺完成。湿法刻蚀溶液从栅线缝隙(gate line slit,GLS)内逐步扩散到层叠结构内部，从而逐渐去除层叠结构中的氮化硅。

[0004] 然而，采用现有的去除氮化硅的湿法刻蚀工艺去除氮化硅后，形成的镂空结构为内外开口均一的结构，又由于层叠结构中的氮化硅的厚度较薄，所以，待氮化硅去除后，需要向开口较小的孔内填充金属。因填充开口较小的孔时容易在填充过程中形成空隙，所以，在向层叠结构的氮化硅位置处填充金属介质时，容易导致生成大金属栅极中存在空隙，最终影响存储器件的性能。

发明内容

[0005] 有鉴于此，为了减少金属栅极中的空隙，本申请提供了一种3D NAND存储器件的金属栅极及其制备方法。

[0006] 为了解决上述技术问题，本申请采用了如下技术方案：

[0007] 一种3D NAND存储器件的金属栅极制备方法，包括：

[0008] 提供衬底，所述衬底上形成有氧化硅/氮化硅层交替层叠结构以及贯穿所述层叠结构的栅线缝隙；

[0009] 采用第一刻蚀溶液通过所述栅线缝隙刻蚀层叠结构中每层氮化硅层的部分氮化硅以及与所述部分氮化硅直接相邻的部分氧化硅，直至刻蚀到预设位置；所述预设位置为层叠结构中氮化硅层两端面之间的位置；

[0010] 采用第二刻蚀溶液刻蚀层叠结构中每层氮化硅层剩余的氮化硅；

[0011] 向刻蚀后的层叠结构的镂空区域填充金属介质，形成金属栅极。

[0012] 可选地，所述第一刻蚀溶液为第一磷酸溶液，所述第二刻蚀溶液为第二磷酸溶液，所述第一磷酸溶液的氮化硅对氧化硅的选择比小于所述第二磷酸溶液的氮化硅对氧化硅的选择比。

[0013] 可选地，所述第一磷酸溶液的氮化硅对氧化硅的选择比为10：1至100:1之间的比例，所述第二磷酸溶液的氮化硅对氧化硅的选择比大于300。

[0014] 可选地，所述采用第二刻蚀溶液刻蚀层叠结构中每层氮化硅层剩余的氮化硅之后，所述向刻蚀后的层叠结构的镂空区域填充金属介质，形成金属栅极之前，还包括：

[0015] 去除氮化硅层刻蚀过程中产生的副产物二氧化硅。

[0016] 可选地，所述去除氮化硅层刻蚀过程中产生的副产物二氧化硅，具体包括：

[0017] 采用湿法刻蚀工艺去除氮化硅层刻蚀过程中产生的副产物二氧化硅。

[0018] 可选地，所述湿法刻蚀工艺采用的刻蚀溶液为氢氟酸溶液。

[0019] 可选地，所述向刻蚀后的层叠结构的镂空区域填充金属介质，形成金属栅极，具体包括：

[0020] 通过原子层沉积的方式向刻蚀后的层叠结构的镂空区域填充金属介质，形成金属栅极。

[0021] 可选地，所述金属介质为金属钨。

[0022] 一种3D NAND存储器件的金属栅极，包括：

[0023] 衬底，所述衬底上形成有多层相互层叠的金属栅极以及贯穿所述金属栅极的栅线缝隙；

[0024] 每层所述金属栅极包括连通的第一部分金属栅极和第二部分金属栅极，所述第一部分栅极位于靠近栅线缝隙的位置，所述第二部分金属栅极位于远离所述栅线缝隙的位置；所述第一部分金属栅极的宽度大于所述第二部分金属栅极的宽度。

[0025] 可选地，所述金属栅极由金属钨制成。

[0026] 相较于现有技术，本申请具有以下有益效果：

[0027] 通过以上技术方案可知，本申请提供的3D NAND存储器的金属栅极制备方法中，通过两步刻蚀过程完成层叠结构中的氮化硅层，在第一步刻蚀过程中，并未将每层氮化硅层全部刻蚀掉，而是仅刻蚀掉相距栅线缝隙较近的氮化硅，并且在第一步刻蚀过程中，还同时刻蚀掉与被刻蚀氮化硅直接相邻的部分氧化硅层，如此，在栅线缝隙附近可以形成一个开孔比氮化硅层厚度宽的开口，而在第二步刻蚀过程中，仅刻蚀掉剩余的氮化硅，而不会刻蚀掉与其相邻的氧化硅，如此就在远离栅线缝隙区域形成开口与氮化硅层厚度相等的开口，如此就在层叠结构中形成的靠近栅线缝隙开口大，远离栅线缝隙开口小的镂空区域。因向镂空区域填充金属介质是通过栅线缝隙完成的，如此就形成了外端开口大，内部开口小的填充孔。向这种外口大内口小的填充孔内填充金属介质相较于向内外开口同样大小的填充孔内填充金属介质，能够减少填充过程中产生的空隙，因此，本申请提供的3D NAND存储器的金属栅极制备方法能够减少金属栅极内部的空隙，有利于提高器件性能。

附图说明

[0028] 为了清楚地理解本申请的具体实施方式，下面将结合附图最本申请的具体实施方式进行详细描述。

[0029] 图1是本申请实施例提供的3D NAND存储器件的金属栅极制备方法流程示意图；

[0030] 图2A至图2D是本申请实施例提供的3D NAND存储器件的金属栅极制备方法一系列制程对应的结构示意图。

具体实施方式

[0031] 在现有的3D NAND存储器件的金属栅极制备方法中，填充金属介质区域为两端开口大小相等的填充区域。在向该两端开口大小相等的填充区域内填充材料时，容易在填充区域内部形成空隙，有损器件的电性能。

[0032] 为了解决该技术问题，本申请提供的3D NAND存储器件的金属栅极制备方法设法将填充金属介质的区域形成外端开口大，内端开口小的填充孔。如此，填充孔的底部区域较小，而顶部区域较大，如此，能够减少填充过程中空隙产生的可能，有利于提高填充形成的金属栅极的性能，进而提高器件的性能。

[0033] 下面结合附图对本申请的具体实施方式进行详细描述。

[0034] 请参阅图1至图2D。图1是本申请实施例提供的3D NAND存储器件的金属栅极制备方法流程示意图。图2A至图2D是本申请实施例提供的3D NAND存储器件的金属栅极制备方法一系列制程对应的结构示意图。

[0035] 如图1所示，该制备方法包括以下步骤：

[0036] S101：提供衬底201，所述衬底201上形成有氧化硅202/氮化硅层203交替层叠结构以及贯穿所述层叠结构的栅线缝隙204。

[0037] 如图2A所示，提供衬底201，该衬底201上形成有氧化硅202/氮化硅203层交替层叠结构以及贯穿所述层叠结构的栅线缝隙204。

[0038] 在去除掉氮化硅层203后，栅线缝隙(gate line slit,GLS)204可以制成连接3D NAND存储器的源极选通管与源极的连接通道，如此，可以形成金属栅极之后在栅线缝隙204的侧壁形成一层绝缘介质，然后内部填充金属介质。

[0039] S102：采用第一刻蚀溶液通过栅线缝隙204刻蚀层叠结构中每层氮化硅层的部分氮化硅以及与所述部分氮化硅直接相邻的部分氧化硅，直至刻蚀到预设位置；所述预设位置为层叠结构中氮化硅层两端面之间的位置。

[0040] 在3D NAND存储器的制备过程中，氧化硅202/氮化硅层203交替层叠结构中的氮化硅层203为牺牲层，需要将氮化硅层203去除，然后在氮化硅层203位置填充金属介质，从而在形成3D NAND存储器的具有层叠结构的栅极。

[0041] 因待刻蚀氮化硅层203位于氧化硅202/氮化硅层203交替层叠结构中，其夹在氧化硅202之间，很难通过干法刻蚀工艺将其去除，通常采用湿法刻蚀工艺将其去除。

[0042] 在采用湿法刻蚀溶液刻蚀氮化硅层203时，需要将形成有氧化硅202/氮化硅层203交替层叠结构的衬底浸没在刻蚀溶液内，刻蚀溶液会充满整个栅线缝隙，如此，栅线缝隙204侧壁上的氮化硅203会接触到刻蚀溶液，如此刻蚀溶液由栅线缝隙204侧壁逐渐向层叠结构的内部刻蚀氮化硅。在湿法刻蚀氮化硅203的过程中，层叠结构中的氧化硅202也会接触到刻蚀溶液，因此，为了避免刻蚀溶液刻蚀掉氧化硅202，所以，一般选用氮化硅对氧化硅的选择比大于1的刻蚀溶液。

[0043] 在本申请实施例中，为了形成外口开口大内口开口小的填充孔，本申请实施例通过两步刻蚀工艺去除氮化硅层203。第一步刻蚀工艺采用第一刻蚀溶液刻蚀层叠结构中的部分氮化硅203以及与所述部分氮化硅203直接相邻的部分氧化硅202，直至刻蚀到预设位置；所述预设位置为层叠结构中氮化硅层两端面之间的位置。通过该步骤后，被刻蚀掉的氮化硅203以及氧化硅202形成了金属介质填充孔的金属介质入口，该金属介质入口的宽度大于氮化硅层203的厚度。执行完该步骤后，对应的剖面结构示意图如图2B所示。

[0044] 作为示例，该步骤选用的第一刻蚀溶液可以为磷酸溶液，为了与后续刻蚀工艺采用的刻蚀溶液区分开，该步骤选用的磷酸溶液称为第一磷酸溶液。该第一磷酸溶液的氮化硅对氧化硅的选择比不是很高，因而，第一磷酸溶液在刻蚀氮化硅的过程中，也可同时刻蚀掉少量的氧化硅。作为示例，第一磷酸溶液的氮化硅对氧化硅的选择比可以为10：1至100：1之间的比例。

[0045] 另外，预设位置可以根据后续金属填充的需要而设定。另外，在刻蚀过程中，可以通过控制刻蚀时间来控制刻蚀到预设位置。具体地，计算从栅线缝隙侧壁到预设位置之间的距离，然后利用该距离除以刻蚀速率，得到的计算结果为该步刻蚀工艺所要经历的时间。

[0046] S103：采用第二刻蚀溶液刻蚀层叠结构中每层氮化硅层剩余的氮化硅203。

[0047] 氮化硅203刻蚀的第二步为采用第二刻蚀溶液刻蚀层叠结构中剩余的氮化硅203。该步骤执行完对应的剖面结果示意图如图2C所示。

[0048] 在该步骤中，选用的第二刻蚀溶液也可以为磷酸溶液，为了区别于步骤S102中的刻蚀溶液，步骤S103选用的磷酸溶液称为第二磷酸溶液。

[0049] 因该步骤刻蚀氮化硅后形成的镂空区域为金属填充孔的底部，为了减少填充过程中产生的空隙，该镂空区域的开口可以为相较于步骤S102形成的开口较小的开口。因此，在该步骤中，相较于第一磷酸溶液，第二磷酸溶液可以具有更高的氮化硅对氧化硅的选择比，使得第二磷酸溶液在刻蚀氮化硅的过程中，尽可能少地刻蚀氧化硅。作为示例，第二磷酸溶液的氮化硅对氧化硅的选择比可以大于300。

[0050] S104：向刻蚀后的层叠结构的镂空区域填充金属介质，形成金属栅极205。

[0051] 为了提高金属介质的填充率，可以通过原子层沉积的方式向向刻蚀后的层叠结构的镂空区域(即层叠结构的氮化硅层位置)填充金属介质，形成金属栅极205。

[0052] 在本申请实施例中，金属介质为金属钨。

[0053] 执行完步骤S104之后，对应的剖面结构示意图如图2D所示。

[0054] 另外，在采用磷酸溶液刻蚀氮化硅的过程中，会产生副产物二氧化硅，因在栅线缝隙附近，氮化硅与刻蚀溶液的接触面积较大，所以，刻蚀副产物二氧化硅很容易聚集在层叠结构的侧边区域。如此，层叠结构中的氧化硅在栅线缝隙附近形成了类似“火柴头”的结构。

[0055] 该形成的类似“火柴头”结构，导致后续形成金属栅极的开口减小，进而导致形成的金属栅极内部存在空隙。因此，为了减少金属栅极内部空隙，提高金属栅极性能，在填充金属介质之前，本申请实施例提供的制备方法还可以包括：去除氮化硅层203刻蚀过程中产生的副产物二氧化硅。

[0056] 作为本申请的一个示例，可以采用湿法刻蚀方法去除氮化硅层203刻蚀过程中产生的副产物二氧化硅。

[0057] 因为副产物二氧化硅的致密度较低，其以比较松散的状态聚集在层叠结构的侧边区域，其可以采用浓度极稀的HF溶液即可将其去除，而层叠结构中的氧化硅202的致密度较高，需要较高浓度的HF才能将其去除。基于此，在去除副产物二氧化硅的过程中，为了减少层叠结构中的氧化硅202的去除量，可以采用浓度极稀的氢氟酸溶液作为刻蚀溶液。

[0058] 另外，因副产物二氧化硅聚集在层叠结构侧边区域，即靠近栅线缝隙区域，又因干法刻蚀具有优异的各向异性，因此，作为本申请的另一示例，可以采用干法刻蚀方法去除氮化硅层203刻蚀过程中产生的副产物二氧化硅。

[0059] 当采用干法刻蚀方法去除氮化硅层203刻蚀过程中产生的副产物二氧化硅时，具体可以包括以下步骤：

[0060] 在所述层叠结构上方涂覆光刻胶，并进行掩模图案化，在栅线缝隙204以及副产物二氧化硅上方形成刻蚀窗口；

[0061] 沿栅线缝隙竖直方向向下进行干法刻蚀，去除聚集在栅线缝隙侧壁上的副产物二氧化硅。

[0062] 以上为本申请实施例提供的3D NAND存储器的金属栅极制备方法的具体实施方式。在该具体实施方式中，通过两步刻蚀过程完成层叠结构中的氮化硅层，在第一步刻蚀过程中，并未将每层氮化硅层全部刻蚀掉，而是仅刻蚀掉相距栅线缝隙较近的氮化硅，并且在第一步刻蚀过程中，还同时刻蚀掉与被刻蚀氮化硅直接相邻的部分氧化硅层，如此，在栅线缝隙附近可以形成一个开孔比氮化硅层厚度宽的开口，而在第二步刻蚀过程中，仅刻蚀掉剩余的氮化硅，而不会刻蚀掉与其相邻的氧化硅，如此就在远离栅线缝隙区域形成开口与氮化硅层厚度相等的开口，如此就在层叠结构中形成的靠近栅线缝隙开口大，远离栅线缝隙开口小的镂空区域。因向镂空区域填充金属介质是通过栅线缝隙完成的，如此就形成了外端开口大，内部开口小的填充孔。向这种外口大内口小的填充孔内填充金属介质相较于向内外开口同样大小的填充孔内填充金属介质，能够减少填充过程中产生的空隙，因此，本申请提供的3D NAND存储器的金属栅极制备方法能够减少金属栅极内部的空隙，有利于提高器件性能。

[0063] 基于上述3D NAND存储器的金属栅极制备方法的具体实施方式，本申请实施例还提供了一种3D NAND存储器件的金属栅极。该3D NAND存储器件的金属栅极的剖面结构如图2D所示，其包括：

[0064] 衬底201，所述衬底201上形成有多层相互层叠的金属栅极205以及贯穿所述金属栅极的栅线缝隙204；

[0065] 每层所述金属栅极205包括连通的第一部分金属栅极2051和第二部分金属栅极2052，所述第一部分栅极2051位于靠近栅线缝隙204的位置，第二部分金属栅极2052位于远离栅线缝隙204的位置，第一部分栅极2051和第二部分栅极2052接触连接，所述第一部分金属栅极2051的宽度大于所述第二部分金属栅极2052的宽度。

[0066] 在本申请实施例中，当在栅线缝隙204内的侧壁形成一层绝缘介质层并在其内部填充金属介质后，该填充有金属介质的栅线缝隙204就制成了连接3DNAND存储器的源极选通管与源极的连接通道。

[0067] 作为本申请的一可选实施例，所述金属栅极由金属钨制成。

[0068] 以上为本申请的具体实施方式。